深入解析SGM61234：28V、2A、5V固定輸出非同步降壓轉(zhuǎn)換器

一、引言

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，降壓轉(zhuǎn)換器是不可或缺的元件。SGM61234作為一款高性能的非同步降壓轉(zhuǎn)換器，以其寬輸入電壓范圍、高輸出電流能力和豐富的保護(hù)功能，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中展現(xiàn)出卓越的性能。本文將深入解析SGM61234的特點(diǎn)、工作原理、應(yīng)用設(shè)計(jì)等方面，為電子工程師提供全面的參考。

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二、產(chǎn)品概述

SGM61234是一款固定5V輸出的非同步降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為6.5V至28V，具備2A的連續(xù)輸出電流能力。它采用峰值電流模式控制，并帶有斜率補(bǔ)償，還具備脈沖跳過模式（PSM）以提高輕載效率。該器件的開關(guān)頻率可通過外部電阻（RT）在50kHz至1.1MHz之間調(diào)節(jié)，同時(shí)采用擴(kuò)頻技術(shù)降低電磁干擾（EMI）峰值。此外，它還具備自然的逐周期電流限制、頻率折返機(jī)制和熱關(guān)斷保護(hù)等功能，可有效保護(hù)器件免受過流、短路和過熱等故障的影響。

三、產(chǎn)品特性

3.1 寬輸入電壓范圍

6.5V至28V的寬輸入電壓范圍，使其能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。

3.2 固定5V輸出

提供穩(wěn)定的5V固定輸出電壓，為后續(xù)電路提供可靠的電源。

3.3 高輸出電流能力

最大連續(xù)輸出電流可達(dá)2A，能夠滿足大多數(shù)負(fù)載的功率需求。

3.4 PSM功能

脈沖跳過模式（PSM）可在輕載時(shí)降低損耗，提高效率。

3.5 可調(diào)開關(guān)頻率

開關(guān)頻率可通過外部電阻在50kHz至1.1MHz之間調(diào)節(jié)，靈活性高。

3.6 擴(kuò)頻技術(shù)

采用擴(kuò)頻技術(shù)降低EMI峰值，減少電磁干擾。

3.7 多種保護(hù)功能

具備逐周期過流保護(hù)、頻率折返輸出短路保護(hù)、熱關(guān)斷保護(hù)等多種保護(hù)功能，提高了器件的可靠性。

四、工作原理

4.1 開關(guān)頻率設(shè)置

外部電阻RT與GND之間的連接決定了開關(guān)頻率。當(dāng)RT開路時(shí)，默認(rèn)開關(guān)頻率為120kHz；當(dāng)RT短路時(shí)，開關(guān)頻率約為70kHz；當(dāng)RT為85.5kΩ時(shí)，開關(guān)頻率為340kHz。具體關(guān)系可通過公式 (R{T}(k Omega)=25.5 × f{S W}(MHz)^{-1.12}) 計(jì)算。

4.2 自舉電壓（BOOT）

使用0.1μF的自舉電容（推薦X5R或X7R）為MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)提供電壓。當(dāng)CBOOT電壓低于BOOT UVLO閾值（3V）時(shí)，MOSFET將關(guān)閉以刷新自舉電容的電荷。

4.3 軟啟動(dòng)調(diào)整

通過在SS引腳和GND之間添加軟啟動(dòng)電容（CSS），可設(shè)置軟啟動(dòng)時(shí)間在1ms至10ms之間。內(nèi)部2μA的電流源對(duì)CSS充電，在SS引腳產(chǎn)生線性電壓斜坡。軟啟動(dòng)時(shí)間可通過公式 (t{s s}(m s)=frac{C{s s}(n F) × V{R E F}(V)}{I{s s}(mu A)}) 計(jì)算。

4.4 誤差放大器（EA）

該器件使用跨導(dǎo)誤差放大器（EA）比較感測(cè)到的輸出電壓（VSENSE）和內(nèi)部參考電壓。EA放大器在正常工作時(shí)的增益為92μA/V，輸出電流注入頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（COMP和GND引腳之間），產(chǎn)生PWM比較器的控制信號(hào)（VCOMP）。

4.5 斜率補(bǔ)償

為避免PWM脈沖寬度在占空比高于50%時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定和次諧波振蕩，在PWM比較器將測(cè)量的開關(guān)電流與控制信號(hào)進(jìn)行比較之前，添加了補(bǔ)償斜坡。

4.6 脈沖跳過模式（PSM）

為提高輕載效率，當(dāng)輕載時(shí)（VIN = 12V時(shí)，電感峰值電流低于200mA），若VCOMP < 0.65V（典型值），器件進(jìn)入PSM模式。在PSM模式下，COMP電壓內(nèi)部鉗位在0.65V，抑制MOSFET開關(guān)。當(dāng)VCOMP高于鉗位電平，器件可退出PSM模式。

4.7 過流和頻率折返

4.8 擴(kuò)頻開關(guān)

采用擴(kuò)頻技術(shù)使生成的EMI頻譜變平，降低大的EMI峰值。開關(guān)頻率在標(biāo)稱值的 -6% 至 +6% 之間以fSW/512的抖動(dòng)頻率周期性變化。

4.9 開關(guān)節(jié)點(diǎn)抗振鈴

在開關(guān)節(jié)點(diǎn)，由濾波電感和寄生電容形成的高Q LC諧振電路會(huì)導(dǎo)致高頻振蕩（振鈴）。為抑制這種振鈴，器件集成了一個(gè)抗振鈴電路，當(dāng)電感電流過零且SW電壓開始高于VSENSE時(shí)，輔助MOSFET導(dǎo)通，通過短路SW和VSENSE引腳來增加阻尼，減少振鈴。

4.10 過壓瞬態(tài)保護(hù)（OVTP）

當(dāng)過載或輸出故障情況消除時(shí)，輸出可能出現(xiàn)大的過沖電壓。SGM61234包含保護(hù)電路，當(dāng)VSENSE電壓超過VREF閾值的108%時(shí)，HS MOSFET關(guān)閉；當(dāng)電壓降至VREF的105%以下時(shí)，HS MOSFET重新開啟。

4.11 熱關(guān)斷

當(dāng)器件結(jié)溫超過 +170℃ 時(shí)，熱關(guān)斷保護(hù)觸發(fā)，開關(guān)停止。當(dāng)溫度降至 +135℃ 以下時(shí)，器件自動(dòng)恢復(fù)，并進(jìn)行上電和軟啟動(dòng)序列。

五、應(yīng)用設(shè)計(jì)

5.1 輸入電容設(shè)計(jì)

建議在VIN和GND引腳之間使用至少10μF的X5R或更好的陶瓷電容，并盡可能靠近器件放置。輸入電容的RMS額定值應(yīng)高于1A，以滿足轉(zhuǎn)換器AC（RMS）輸入電流的需求。輸入電容的選擇還需考慮轉(zhuǎn)換器輸入電壓紋波，計(jì)算公式為 (Delta V{IN}=frac{I{OUTMAX } × 0.25}{C{IN} × f_{SW}}) 。

5.2 電感選擇

較高的工作頻率允許選擇較小的電感和電容值，但會(huì)增加開關(guān)和柵極損耗；較低的頻率會(huì)導(dǎo)致電流紋波增加，增加輕載損耗。電感值可通過公式 (L=frac{V{IN }-V{OUT }}{I{OUT } × K} × frac{V{OUT }}{V{IN } × f{SW}}) 計(jì)算，其中K為電感峰 - 峰紋波（ΔL）與直流電流（IOUT）的比值，推薦范圍為0.2至0.4。選擇電感時(shí)，還需考慮RMS電流額定值、DCR和溫度上升等因素。

5.3 外部二極管

SGM61234需要一個(gè)外部功率二極管連接在SW和GND引腳之間來完成轉(zhuǎn)換器。該二極管必須能承受應(yīng)用的絕對(duì)最大額定值，反向阻斷電壓應(yīng)高于VIN_MAX，峰值電流應(yīng)高于最大電感電流。為提高效率，應(yīng)選擇正向電壓降小的二極管。

5.4 輸出電容設(shè)計(jì)

輸出電容的設(shè)計(jì)主要考慮輸出電壓紋波和對(duì)負(fù)載階躍的瞬態(tài)響應(yīng)。為使輸出瞬態(tài)過沖低于ΔVout，最小所需電容可通過公式 (C{OUT }>frac{Delta I{OUT }^{2} × L}{2 × V{OUT } × Delta V{OUT }}) 計(jì)算。同時(shí)，還需考慮最大輸出電壓紋波的要求，計(jì)算公式為 (C{OUT }>frac{1}{8 × f{SW}} × frac{1}{frac{Delta V{OUT }}{Delta I{L}}-ESR }) 。綜合考慮各種因素，可選擇10μF/6.3V/X7R、ESR ≤ 3mΩ的電容。

5.5 自舉電容選擇

自舉電容（C4）應(yīng)使用0.1μF、10V或更高電壓額定值的高品質(zhì)陶瓷電容（X7R或X5R）。建議在C4串聯(lián)一個(gè)電阻R4，以減慢HS開關(guān)的導(dǎo)通速度，改善輻射EMI問題。R4的值約為5Ω至10Ω，過高的值可能導(dǎo)致在高占空比應(yīng)用中C4充電不足，同時(shí)減慢導(dǎo)通速度會(huì)增加開關(guān)損耗并降低效率。

5.6 軟啟動(dòng)電容選擇

軟啟動(dòng)電容用于設(shè)置上電時(shí)輸出電壓的上升時(shí)間。通過公式 (t{s s}(m s)=frac{C{s s}(n F) × V{R E F}(V)}{I{s s}(mu A)}) 可計(jì)算所需的軟啟動(dòng)電容，建議CSS小于27nF。

5.7 布局考慮

• 用低ESR陶瓷電容將VIN引腳旁路到GND引腳（連接到功率二極管陽極引腳處），并盡可能靠近器件放置。
• 二極管應(yīng)盡可能靠近SW和GND引腳連接。
• 最小化VSENSE走線長度，從VOUT精度重要的點(diǎn)連接VSENSE走線，并使其遠(yuǎn)離噪聲節(jié)點(diǎn)（SW），最好通過屏蔽層另一側(cè)的另一層走線。
• 輸入和輸出電容共享相同的GND連接點(diǎn)。
• 最小化SW引腳到二極管陰極和電感的連接路徑長度和面積，以減少該區(qū)域的噪聲耦合。
• 考慮在頂層提供足夠的接地平面面積以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)纳?，通過熱過孔將大型內(nèi)部或背面接地平面連接到器件附近的頂層接地平面，以實(shí)現(xiàn)更好的散熱。

六、總結(jié)

SGM61234作為一款性能卓越的非同步降壓轉(zhuǎn)換器，具有寬輸入電壓范圍、高輸出電流能力、豐富的保護(hù)功能和靈活的應(yīng)用設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。電子工程師在設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)具體應(yīng)用需求，合理選擇輸入電容、電感、外部二極管、輸出電容等元件，并注意布局設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮SGM61234的性能優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，還需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試和優(yōu)化，確保電路的穩(wěn)定性和可靠性。你在使用SGM61234的過程中遇到過哪些問題呢？又是如何解決的？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。